Zu den wesentlichen Neuerungen der Leica S zählen ihr CMOS-Bildsensor und ihr Maestro II-Bildprozessor. Die Auflösung liegt bei 37,5 Mio Pixel, wobei der Pixelabstand des 30 x 45 mm großen Sensors 6 μm beträgt. Den Dynamikumfang gibt Leica mit 13 Blendenstufen an, die Farbtiefe liegt bei 16 Bit pro Pixel. Als Farbraum stehen sRGB, Adobe RGB und ECI RGB 2.0 zur Verfügung. Der Sensor verzichtet auf einen Tiefpassfilter, nicht jedoch auf einen IR-Filter. Bei der Moiré-Unterdrückung setzt Leica auf die Korrektur durch externe digitale Bildbearbeitung (z. B. über die im Lieferumfang enthaltene Adobe Lightroom-Software). Mit einer Bildfrequenz von bis zu 3,5 Bildern pro Sekunde, Full HD-Video in voller Sensorgröße und 4K-Video-funktion, schnellem Live View und mehr Spielraum bei hohen ISO-Werten setzt die S (Typ 007) Bestmarken im Mittelformat-Segment. Ihr zwei Gigabyte großer Pufferspeicher ermöglicht flüssiges Arbeiten bei schnellen Bildfolgen, der neue Schlitzverschluss der Kamera bietet trotz der mehr als doppelt so hohen Bildrate eine wesentlich gesteigerte Lebensdauer von mindestens 150.000 Auslösungen. Full HD-Videos (24, 25, 30fps) zeichnet die neue S im Leica ProFormat, 4K-Videos (24fps) im Super 35 Window-Modus auf. Damit bei bewegten Motiven die Schärfe sicher und schnell nachgeführt werden kann, verfügt die neue S über einen prädiktiven Autofokus: Die Kamera erkennt die Bewegung des Motivs und berechnet die Entfernung im Moment des Auslösens voraus. Als derzeit einzige professionelle Kamera verfügt die Leica S über ein integriertes GPS-Modul, das auf Wunsch die Koordinaten des aktuellen Standorts in den Exif-Daten der Fotos festhält und auch die Systemzeit automatisch stellen kann. Das integrierte WiFi-Modul ermöglicht die Steuerung der Kamera und die Bildkontrolle inklusive LiveView-Modus über eine App für Smartphones und Tablets, was für einen einfachen und intuitiven Workflow sorgt. Das Display bietet jetzt eine Auflösung von 921.600 Pixeln bei einer Diagonalen von 3 Zoll und vollem sRGB-Farbumfang sowie mehr Kontrast und Helligkeit. Das Deckglas des Monitors besteht aus robustem und kratzunempfindlichem „Corning Gorilla Glass“.
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